Phenotypic resistance in photodynamic inactivation unravelled at the single bacterium level

Herein we report a simple fluorescence microscopy methodology that, jointly with four photosensitizers (PSs) and a cell viability marker, allows monitoring of phenotypic bacterial resistance to photodynamic inactivation (PDI) treatments. The PSs, composed of BODIPY dyes, were selected according to their ability to interact with the cell wall and the photoinactivating mechanism involved (type I or type II). In a first approach, the phenotypic heterogeneity allowing bacteria to persist during PDI treatment was evaluated in methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Escherichia coli as Gram-positive and Gram-negative models, respectively. By means of propidium iodide (PI), we monitored with spatiotemporal resolution cell viability at the single bacterium level. All the PSs were effective at inactivating pathogens; however, the cationic nonhalogenated PS (compound 1) surpassed the others and was capable of photoinactivating E. coli even under optimal growth conditions. Compound 1 was further tested on two other Gram-negative strains, Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae, with outstanding results. All bacterial strains used here are well-known ESKAPE pathogens, which are the leading cause of nosocomial infections worldwide. Thorough data analysis of individual cell survival times revealed clear phenotypic variation expressed in the cell wall that affected PI permeation and thus its intercalation with DNA. For the same bacterial sample, death times may vary from seconds to hours. In addition, the PI incorporation time is also a parameter governed by the phenotypic characteristics of the microbes. Finally, we demonstrate that the results gathered for the bacteria provide direct and unique experimental evidence that supports the time-kill curve profiles.Fil: Martinez, Sol Romina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Agazzi, Maximiliano Luis. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin

BODIPYs bearing a dimethylaminopropoxy substituent for imaging and photodynamic inactivation of bacteria

A new BODIPY (BDP 1) bearing a dimethylaminopropoxy group attached to a phenylene unit was synthesized. This compound was brominated to obtain the halogenated analog BDP 2, which was designed to enhance the photodynamic effect of BODIPY to kill bacteria without an intrinsic cationic charge. The basic amino group located at the end of the propoxy bridge can acquire a positive charge by protonation in an aqueous medium, increasing the binding to bacterial cells. Interaction and photokilling activity mediated by these compounds was evaluated in Staphylococcus aureus and Escherichia coli. BDP 1 and BDP 2 were rapidly bound to bacterial cells, showing bioimages with green emission. Complete elimination of S. aureus was detected when cells were incubated with 1 μM BDP 2 and irradiated for 5 min. Comparable photoinactivation was obtained with E. coli, after an irradiation of 30 min. Furthermore, BDP 2 was effective to kill bacteria at very low concentration (0.5 μM). Thus, BDP 1 showed mainly interesting properties as a fluorophore, whereas BDP 2 was highly effective photosensitizer as a broad-spectrum antibacterial agent.Fil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Santamarina, Sofia Carla. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Javier Esteban. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Edgardo Néstor. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin

Self-Sterilizing 3D-Printed Polylactic Acid Surfaces Coated with a BODIPY Photosensitizer

Herein, we report the use of polylactic acid coated with a halogenated BODIPY photosensitizer (PS) as a novel self-sterilizing, low-cost, and eco-friendly material activated with visible light. In this article, polymeric surfaces were 3D-printed and treated with the PS using three simple methodologies: spin coating, aerosolization, and brush dispersion. Our studies showed that the polymeric matrix remains unaffected upon addition of the PS, as observed by dynamic mechanical analysis, Fourier transform infrared, scanning electron microscopy (SEM), and fluorescence microscopy. Furthermore, the photophysical and photodynamic properties of the dye remained intact after being adsorbed on the polymer. This photoactive material can be reused and was successfully inactivating methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Escherichia coli in planktonic media for at least three inactivation cycles after short-time light exposure. A real-time experiment using a fluorescence microscope showed how bacteria anchored to the antimicrobial surface were inactivated within 30 min using visible light and low energy. Moreover, the material effectively eradicated these two bacterial strains on the first stage of biofilm formation, as elucidated by SEM. Unlike other antimicrobial approaches that implement a dissolved PS or non-sustainable materials, we offer an accessible green and economic alternative to acquire self-sterilizing surfaces with any desired shape.Fil: Martinez, Sol Romina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; ArgentinaFil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Aiassa, Virginia. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Unidad de Investigación y Desarrollo en Tecnología Farmacéutica. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Unidad de Investigación y Desarrollo en Tecnología Farmacéutica; ArgentinaFil: Bartolilla, Antonela. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Unidad de Investigación y Desarrollo en Tecnología Farmacéutica. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Unidad de Investigación y Desarrollo en Tecnología Farmacéutica; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin

Potentiation Effect of Iodine Species on the Antimicrobial Capability of Surfaces Coated with Electroactive Phthalocyanines

The spreading of different infections can occur through direct contact with glass surfaces in commonly used areas. Incorporating the use of alternative therapies in these materials seems essential to reduce and also avoid bacterial resistance. In this work, the capability to kill microbes of glass surfaces coated with two electroactive metalated phthalocyanines (ZnPc-EDOT and CuPc-EDOT) is assessed. The results show that both of these materials are capable of producing reactive oxygen species; however, the polymer with Zn(II) (ZnPc-PEDOT) has a singlet oxygen quantum yield 8-fold higher than that of the Cu(II) containing analogue. This was reflected in the in vitro experiments where the effectiveness of the surfaces was tested in bacterial suspensions, monitoring single microbe inactivation upon attachment to the polymers, and eliminating mature biofilms. Furthermore, we evaluated the use of an inorganic salt (KI) to potentiate the photodynamic inactivation mediated by an electropolymerized surface. The addition of the salt improved the efficiency of phototherapy at least two times for both polymers; nevertheless, the material coated with ZnPc-PEDOT was the only one capable of eliminating >99.98% of the initial microbes loading under different circumstances.Fil: Baigorria, Estefanía. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Javier Esteban. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Martinez, Sol Romina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Milanesio, María Elisa. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Departamento de Química; Argentin

Tuning the Polarity of Fullerene C60 Derivatives for Enhanced Photodynamic Inactivation

In this article, four novel fulleropyrrolidines derivatives were synthesized to study how the effect of polarity and positive charge distribution can influence the efficacy of photodynamic inactivation treatments to kill bacteria. The design of the photosensitizers was based on DFT calculations that allowed us to estimate the dipolar moment of the molecules. Neutral compounds bearing N-methyl bis-acetoxy-ethyl (1) and bis-hydroxyethyl (2) amine were the starting material to obtain the dicationic analogs N,N-dimethyl bis-methoxyethyl (3), and bis-acetoxy-ethyl) (4) methylammonio. As expected from fullerene C60 derivatives, compounds 1-4 absorb in the UV region, with a peak at 430 nm, a broader range of absorption up to 710 nm, and exhibit weak fluorescence emission in toluene and reverse micelles. In the biomimetic AOT micellar system, the highest singlet oxygen photosensitization was found for compounds 1, followed by 3, 2, and 4. Whereas 4 was the most effective reducing nitro blue tetrazolium in the presence of β-NADH. The influence of type I and type II mechanism on the photodynamic activity of compounds 3 and 4 was further examined in the presence of L-tryptophan and two reactive oxygen species scavengers. In vitro experiments indicated that the compounds with the highest dipolar moments, 3 (37.19 D) and 4 (38.46 D), inactivated methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria using an energy dose <2.4 J cm−2. No inactivation was observed for the neutral analogs with the lowest dipolar moments. These findings help to optimize sensitizer structures to improve photodynamic inactivation.Fil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Javier Esteban. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Martinez, Sol Romina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; ArgentinaFil: González de la Torre, Laura. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentin

Tuning the Polarity of Fullerene C 60

In this article, four novel fulleropyrrolidines derivatives were synthesized to study how the effect of polarity and positive charge distribution can influence the efficacy of photodynamic inactivation treatments to kill bacteria. The design of the photosensitizers was based on DFT calculations that allowed us to estimate the dipolar moment of the molecules. Neutral compounds bearing N-methyl bis-acetoxy-ethyl (1) and bis-hydroxyethyl (2) amine were the starting material to obtain the dicationic analogs N,N-dimethyl bis-methoxyethyl (3), and bis-acetoxy-ethyl) (4) methylammonio. As expected from fullerene C60 derivatives, compounds 1-4 absorb in the UV region, with a peak at 430 nm, a broader range of absorption up to 710 nm, and exhibit weak fluorescence emission in toluene and reverse micelles. In the biomimetic AOT micellar system, the highest singlet oxygen photosensitization was found for compounds 1, followed by 3, 2, and 4. Whereas 4 was the most effective reducing nitro blue tetrazolium in the presence of β-NADH. The influence of type I and type II mechanism on the photodynamic activity of compounds 3 and 4 was further examined in the presence of L-tryptophan and two reactive oxygen species scavengers. In vitro experiments indicated that the compounds with the highest dipolar moments, 3 (37.19 D) and 4 (38.46 D), inactivated methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Escherichia coli bacteria using an energy dose <2.4 J cm−2. No inactivation was observed for the neutral analogs with the lowest dipolar moments. These findings help to optimize sensitizer structures to improve photodynamic inactivation.Fil: Palacios, Yohana Belén. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Javier Esteban. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; ArgentinaFil: Heredia, Daniel Alejandro. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Martinez, Sol Romina. Universidad Nacional de Río Cuarto. Facultad de Ciencias Exactas Fisicoquímicas y Naturales. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados; ArgentinaFil: González de la Torre, Laura. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; ArgentinaFil: Durantini, Andres Matías. Universidad Nacional de Río Cuarto. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto para el Desarrollo Agroindustrial y de la Salud; Argentin